基于STM32的宠物远程投喂和监测系统设计
陈典，涂晔*，沈映涛，成霜，方愉，段如意
玉溪师范学院物理与电子工程学院，云南玉溪
收稿日期：2023年9月16日；录用日期：2023年10月16日；发布日期：2023年10月23日
摘要
随着人们生活和精神追求的不断提高，养宠物成了更多家庭的选择，为了帮助主人们在不影响工作的同时更好的照顾宠物，本文提出了一种基于STM32的宠物智能投喂装置，该装置将远程定时定量喂食、喂水与环境监测功能相结合，包括时钟模块、温湿度传感器模块、大气传感器模块、Wi-Fi模块、录音模块、执行器模块等，结合云平台，实现通过手机端远程投喂和实时查看环境信息，帮助用户更优质的照顾宠物，培养宠物合理的饮食习惯。
关键词
嵌入式，自动投喂器，远程控制，智能家居
DesignofEmbeddedPetRemoteFeedingandMonitoringsystemBasedonSTM32
DianChen,YeTu*,YingtaoShen,ShuangCheng,YuFang,RuyiDuan
SchoolofPhysicsandElectronicEngineering,YuxiNormalUniversity,YuxiYunnan
Received:Sep.16th,2023;accepted:Oct.16th,2023;published:Oct.23rd,2023
ABSTRACT
Withthecontinuousimprovementofpeople’slifeandspiritualpursuit,petshavebecomethechoiceofmorefamilies,inordertohelpownersbettertakecareofpetswhilenotaffectingwork,thispaperproposesapetintelligentfeedingdevicebasedonSTM32,whichcombinesremotetimingquantitativefeeding,waterfeedingandenvironmentalmonitoringfunctions,includingclockmodule,temperatureandhumiditysensormodule,atmosphericsensormodule,Wi-Fimodule,recordingmodule,actuatormodule,etc.,combinedwithcloudplatform,Realizeremotefeedingandreal-timeviewingofenvironmentalinformationthroughmobilephones,helpuserstakebettercareofpets,andcultivatereasonableeatinghabitsofpets.
Keywords:Embedded,AutomaticFeeder,RemoteControl,SmartHome
ThisworkislicensedundertheCreativeCommonsAttributionInternationalLicense(CCBY4.0).
1.引言
2.研究背景
2.1.智能宠物系统研究背景
现在的科技发展越来越快，各种智能用品也相继出现在市场上，这些产品进一步使劳动力得到解放、使人们的生活更加便利。智能家居已经普遍存在于家庭中，随着企业对智能化的投资和技术人员不断的创造发明，他们所拥有的技术也正在不断进步，在不久的将来家居的智能化会越来越高。
如今，年轻人特别是城市上班族的精神压力愈来愈大，养宠物已经成为了人们化解孤独、缓解焦虑的优质选择。这就使得近年来宠物经济的规模不断扩大，宠物用品也逐渐向着智能化、物联化的方向发展[1]。本次研究主要是针对宠物的定时定量投喂，环境监测和基于Wi-Fi的远程控制的研究，通过设计仿真宠物自动投喂器的模型，解决主人们无法按时给宠物喂食及看管的问题，达到模拟真实家庭宠物喂养，监护的目的。
2.2.国内外的研究现状以及发展动态
2.2.1.国内研究现状
国内关于宠物喂养机器人研究已经有了初步发展，例如张杰斌，谢泽奇等人提出的一款基于STM32的宠物智能投喂装置[2]，该装置以多个子模块互配合相，共同完成针对宠物进行定时定量投喂及环境监测，以及实现主人们随时随地通过智能设备了解宠物生活环境，为宠物加餐的需求；王丽莹等人提出的一款远程实时智能精准喂养宠物系统[3]，该系统是一款基于树莓派4B，结合舵机、传感器和OPENMV4等开发的远程实时智能精准喂养宠物系统，侧重于结合软件实现多宠物的同时喂养。但以上两种产品目前都只处在研究阶段，并未真正投入使用。
综合来看，目前国内市面上存在许多宠物饲养的类似产品，例如：宠物自动喂食器，宠物智能训练设备，宠物智能项圈，宠物猫健康监测仪等。
2.2.2.国外研究现状
在国外，家庭机器人的研究起步较早，例如2012年微软公司的JordanCor-rea制作了一个名为“DarwinBot”的宠物机器人，这台机器人能够实现远程操控并与宠物玩耍，但缺点是机身过于庞大且仅能够通过电脑对机器人进行操控；澳大利亚一家公司推出了一款可穿戴的宠物GPS(全球定位系统)追踪设备[4]，主人们只需将其固定在宠物项圈上，就可通过相应终端实时查看宠物位置。此外在国外也有通过发送手机短信实现一键远程喂养的产品设计。
总的来说，目前已经研发并推广销售的宠物喂食产品大致以功能分为监护机器人和喂食机器人两种，但存在一些不足：
(1)功能单一，绝大多数产品都只针对于喂食，监护或者与宠物互动其一功能，无法更好的满足大多数人的需求。
(2)实现监控和数据传输的机器人体型较为庞大及控制方面具有一定局限性；将会影响主人们的日常生活，且当面对一些狭小的环境将无法完成工作；控制方面则只能近距离通过电脑进行控制，不具备远程控制的条件。
(3)互动类产品价格昂贵且华而不实，不能被当下大部分宠物主们所接受。
3.系统设计方案
Figure1.Overallblockdiagramofthesystem
4.硬件设计
本文所介绍的基于STM32的宠物远程投喂和监测系统由被广泛使用的STM32F103C8T6芯片、RTC实时时钟模块、DHT11温湿度传感器、MQ135气体传感器、ESP8266-Wi-Fi模块、ISD4044音频模块、MG995舵机等模块构成。
4.1.单片机的选择
本系统在单片机上采用了STM32F103C8T6芯片，该芯片为意法半导体公司出品的中低端32位ARM微控制器，内核是Cortex-M3，工作频率为72MHz，可集成多种外设功能[6]。完全可以满足系统系统设计的需要。
4.2.实时时钟模块
本系统所采用的实时时钟模块是STM32芯片的独立定时器。其包括一组不间断计数的计数器，通过软件配置，可实现电子时钟日历的功能，这是本设计实现定时投喂的关键。
RTC配置函数(预分频，闹钟值)：
voidRTC_SetPrescaler(uint32_tPrescalerValue);//预分频配置：PRLH/PRLL。
voidRTC_SetAlarm(uint32_tAlarmValue);//闹钟设置：ALRH/ALRL。
4.3.DHT11温湿度传感器
Table1.FunctionaldiagramofDHT11
Table2.DHT11pindiagram
4.4.MQ135气体传感器
Table3.FunctionaldiagramofMQ135
4.5.ESP8266-Wi-Fi模块
Wi-Fi模块选用的是乐鑫科技的ESP8266-Wi-Fi模块。通过STM32F103C8T6的串口来连接ESP8266，实现模块Station指令的发送和返回信息的接收[10]。该模块以系统为热点，手机端为Station接入无线服务，进而与云平台实现互联，与STM32F103C8T6进行数据交互；同时，8266与主控芯片之间通过串口进行数据的传输。手机端控制Wi-Fi输出数据，芯片接收到数据后控制数据显示模块、放食模块等的动作[11]。
4.6.音频模块
4.7.按键及OLED显示模块
4.8.执行器模块
Figure2.ThecorrespondencebetweenPWMsignalpulsewidthandservooutputangle
5.软件设计
Figure3.Systemflowchart
具体设计如下：
(3)当手机端发出指令，将传送至STM32F103C8T6进行分析并控制相应执行器完成操作。
6.结束语
基金项目
基金项目：玉溪师范学院大学生创新创业训练计划项目，项目名称：宠物自动投喂与远程监测系统(项目编号：2022A024)。